JPH0644119Y2 - 発光素子モジユ−ル - Google Patents

発光素子モジユ−ル

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JPH0644119Y2
JPH0644119Y2 JP1987039735U JP3973587U JPH0644119Y2 JP H0644119 Y2 JPH0644119 Y2 JP H0644119Y2 JP 1987039735 U JP1987039735 U JP 1987039735U JP 3973587 U JP3973587 U JP 3973587U JP H0644119 Y2 JPH0644119 Y2 JP H0644119Y2
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optical fiber
light emitting
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optical axis
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純一 中野
克彦 車田
信頼 都築
光男 福田
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【考案の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本考案は,発光素子と光ファイバとを高い結合効率で光
学的に結合させる,所謂発光素子モジュールの改良に関
する。
(従来の技術) 発光素子として有望なInP基板を微細加工し,発光素子
と光ファイバ等の光学部品を搭載する溝を一体形成し,
光軸調整をしなくても高い結合効率が実現できる超小型
の発光素子モジュールを先に提案した(特願昭61-28736
1)。この代表的な構造を第5図に示す。この構造にお
いては発光素子と同一基板上にリソグラフィー技術とド
ライエッチング技術とを用いて発光素子の発光位置と光
ファイバのコア中心とを一致させて光ファイバ設置用溝
部を製作できるため,発光素子と光ファイバとを高い結
合効率で光学的に結合させることができる。
(考案の解決しようとする問題点) しかしながら,従来のかかる構造においては,光軸の微
調整機構が具備されておらず,溝の加工精度が,そのま
ま発光素子と光ファイバとの結合効率を規定していた。
従って溝が設計値どうり形成された場合は問題ないが,
加工偏差が大きい場合,発光素子モジュールとしての製
造歩留りが低下するという問題点があった。即ち溝の深
さの許容値を超えるものは光軸の微調整機構が無い為使
用できなかった。
具体的には光ファイバは外径125μm,コア径10μmのシ
ングルモード光ファイバが用いられ,溝の深さは光ファ
イバの略下半分が溝部に勘合されるように65μmの深さ
に設定される場合が多い。ここで先に開示(特願昭61-2
87361)したドライエッチング技術はエッチング速度の
制御性,エッチング面の垂直性等はケミカルエッチング
と比較すると格段に優れているが,それでも装置内のプ
ラズマの不均一,試料面内における反応ガスの供給量の
不均一に起因する試料面内及びエッチング工程相互間の
エッチング深さの不均一性を完全に除去するまでには至
っていないのが現状である。このエッチング深さの不均
一性は通常10%程度あり溝の深さの不均一に換算すると
5μm以上になってしまう。5μmの光軸ずれは例え横
方向のずれが無く,発光素子と光ファイバの端面が密着
していたとしてもコア径10μmのシングルモード光ファ
イバの場合5dB以上の結合損失を生じる。この問題を回
避する方法として65μmの設計値の場合,50〜55μm程
度で一旦エッチングを中止し,試料を装置から取り出
し,溝の深さを実測し再度エッチングして,設計値に合
わせる方法を試みたが,エッチングのトータル時間が長
くなり,また試料面内の複数の溝相互の偏差は改善され
ないことがわかった。
(考案の目的) 本考案の目的は,かかる従来の欠点を解決し高い結合効
率の発光素子モジュールを歩留り良く製造できる構造を
提案することにある。
(問題点を解決するための手段) 本考案は上記問題点を解決するための手段として,光フ
ァイバ設置用溝部底面の発光素子側の端部に光ファイバ
の光軸の微調整機構として作用する傾斜面を設けたもの
である。
(作用) このように光ファイバ設置用溝部底面の発光素子側端部
に傾斜面を設けると,溝部に勘合された光ファイバは,
発光素子側に押し込むと傾斜面にあたり,光ファイバの
先端が傾斜面に沿って上昇する。即ちファイバ端面に開
口したコアの位置を上昇せしめ,発光素子の光軸に近ず
けるように微調出来る。(この場合,溝部底面の位置は
傾斜面のない従来構造の設計値にくらべて低くしておく
ことは,言うまでもない。)なお,傾斜面の角度は5〜
45度の範囲にあることが,光ファイバの先端が傾斜面に
沿って容易に上昇し,かつ,充分な高さ調整機能を奏す
る上で実用上好ましい。
なお,このように光ファイバの先端部のみを上昇させる
と,光ファイバの光軸は傾斜し,発光素子の光軸と平行
にはならない。(換言すれば,光ファイバの入射端面が
発光素子の光軸と垂直にならない。)しかしながら,光
ファイバは微小な長さでは剛体とみなせるので傾斜面に
沿って変形せず傾斜面上に第1の接点を,傾斜面の終端
から所定の距離離れた点に,第2の接点とを少なくとも
有して溝部と接っするので,例え傾斜面の角度が大きく
とも,光ファイバの光軸の傾斜角は少ない。このように
光ファイバの光軸が発光素子の光軸と平行にはならない
(わずかな傾斜角を有する)が光ファイバのコアの位置
(高さ)が発光素子の光軸の位置(高さ)と略一致でき
た場合と,反対に光ファイバの光軸と発光素子の光軸が
平行にはなるが,コアの位置(高さ)が発光素子の光軸
の位置(高さ)から離れている場合の光学的結合効率を
理論的,実験的に比較した結果前者が優れる事がわかっ
た。即ち,コア位置の高さの偏差のほうが,ファイバの
光軸傾斜よりも顕著に結合効率を悪化させる事がわかっ
た。
本考案はこの作用を巧みに利用したものである。
(実施例) 第1図は本考案の第1の実施例を示すものであり,第5
図に示す従来の構造と最も対比し易い構造を示す。
これらの図は光ファイバの先端部と発光素子部のみの関
係を示す部分拡大図である。InP基板1に形成された光
ファイバ設置用溝部は,基板主面と平行にエッチングさ
れた溝底面7,及びこれと角度θ1をなすファイバの光軸
(高さ)微調整機構としての傾斜面6,を含んで構成され
る。
この溝部に勘合される光ファイバ4は外径125μm,コア
径10μmのシングルモードファイバである。5がコア部
である。
光ファイバ4は垂直な溝側壁面3からdの距離にあり,
コア部の中心位置が発光素子の光軸位置,即ち,光軸の
高さと完全に一致するのが望ましい。
また第1図においてh1は溝底面から発光素子の光軸まで
の高さ,h2,は傾斜面6の最大高さ,11は傾斜面6の底
面の長さ,12は傾斜面の終端から第2の接点までの長さ
θ1は傾斜面6と溝底面のなす角度,θ2は光ファイバ4
の光軸と溝底面のなす角度(光ファイバ端面8と垂線の
なす角度,光ファイバ4の光軸と発光素子の光軸とのな
す角度でもある。)ここで θ2=tan-1〔(11−d)h2/ (11+12−d)11〕 θ2max=tan-1〔h2/(11+12)〕 の関係があるので先に述べたように,例え傾斜面の角度
(傾斜面6と溝底面のなす角度:θ1)が大きくとも,h
2に対して12を大きく設定して置けば,光ファイバの光
軸の傾斜角:θ2を小さくでき,光学的結合効率上,光
ファイバの光軸のが傾斜している(光ファイバの入射端
面が発光素子の光軸に垂直でない)影響は殆ど無視でき
る。即ち発光素子の光軸と光ファイバの光軸(入射端面
近傍の光軸)は略平行とみなせることになる。このよう
な観点から,第1の接点と第2の接点を結ぶ直線と溝底
面とのなす角度が略10度以上では光ファイバの光軸の傾
斜による影響が無視できず,従って10度以下が実用的で
あり,更に好ましくは5度以下が良い 次に,発光素子の光軸と光ファイバの光軸が平行である
場合(又は平行とみなせる場合),発光素子と光ファイ
バの位置合わせ許容値はxy面(光ファイバの入射端面)
で厳しく,z軸で緩いことを説明する。これは,発光素子
の出射光は光ファイバに平行か,または多少の発散/集
光状態で光ファイバの入射端面に入るので,z軸方向にず
れても光学的結合効率はそれ程変化しないが,xy面では
発光素子の発光位置が極めて小さいこと,および光ファ
イバのコア径も極めて小さいことから,僅かの変位が光
学的結合効率を大幅に変えてしまうからである。以上の
説明を実験的に確かめるため以下の構造の発光素子モジ
ュールを試作し,光学的結合効率を実測した。なお,実
験は実際に光ファイバを伝送した光をモニターしながら
光ファイバの位置調整を行い最大の結合効率がえられた
状態どうしを比較した。
試料A:h1=70μm、h2=0μm、 11=0μm、12=220μm、 (無傾斜面:従来形) 試料B:h1=70μm、h2=10μm、 11=20μm、12=200μm、 試料C:h1=68μm、h2=3μm、 11=10μm、12=200μm、 試料D:h1=75μm、h2=15μm、 11=15μm、12=300μm、 なお,各試料の溝の深さを設計値65μmより深くしたの
は,製造偏差の最大値をみこみ,このような製造偏差が
あった場合の光学的結合効率を調べることを目的として
いるためである。試料A即ち,溝の深さが設定値から5
μmずれている場合は,第5図から明らかなように,d=
0μmが可能であったにもかかわらず,光はほとんど結
合せず,損失は−40dB以上であった。むしろ、dを増加
して行くとd=25μmで−25dBと損失は減少した。これ
は光ファイバの入射端面が遠ざかることにより、やっと
発散状態の発光素子出射光の立体角内にコア部の大部分
が入ったためである。しかしdを更に増加して行くと損
失は再び増加した。
一方、試料Bではd=10μmのとき、即ち傾斜面により
光ファイバの入射端面が5μm上昇し発光素子の光軸の
高さと一致したときに、損失は−11dB以下が得られた。
このとき光ファイバの入射端面は発光素子の光軸に垂直
ではないが、その偏差は上式から約1.4度であり殆ど無
視できる。
試料Aと試料Bの比較より、本考案が光学的結合効率を
高める上で有効であることがわかる。即ち溝の深さが設
定値から5μmずれている場合は−40dB以上の損失があ
るが光軸微調整用の傾斜面を設けることにより、−11dB
以下に救済できることがわかる。
試料Cは溝の深さが設定値から3μmずれている場合を
想定したものであり、d=0μmで損失が−10dB以下が
得られた。d=10μmのとき、即ち傾斜面に光ファイバ
の入射端面がかからない場合は−15dBであった。
この結果、3μmの溝の深さの製造偏差に伴い5dBの損
失増加があるが光軸微調整用の傾斜部を設けることによ
り、ほぼ完全に救済できることがわかる。
試料Dは溝の深さが設定値から10μmずれている場合を
想定したものであり、d=10μmで損失−10dBが得ら
れ、溝の深さが設定値から10μmずれている場合でも本
考案を充分適用できることがわかった。
以上の試料はいずれも第5図に示した従来構造と対比さ
せた第1図の構造について説明したが、本考案はこれに
限定されるものではない。即ち第2図に示すように、傾
斜面が発光素子出射面まで延長されている場合であって
も同様に機能することはいうまでもない。更に、第3
図、第4図に示すように発光素子と光ファイバの間にレ
ンズ等の光学部品が挿入されている場合であっても同様
に機能することはいうまでもない。第3図において22は
発光素子、42は発光素子22の扇状に開いた端面であり、
水平面内のみ集光性を持つ。41は円筒状レンズで垂直面
内のみ集光。21はInP基板、31、32は光ファイバ固定用
の接着材挿入溝である。29は光ファイバである。第4図
において、第3図と同一部分には同一記号を付して説明
を省略するが25は球レンズ、27は集束形円筒レンズ、2
6、28、はそれぞれ球レンズ、集束形円筒レンズ、設置
用の溝である。このような場合であってもレンズ等の光
学部品から出た光を光ファイバに低損失で結合させる上
で光ファイバの光軸微調整用傾斜面6を設けることが有
効であることは明らかである。なお光軸微調後に光ファ
イバを固定する手段は第3,4図中31,32で示すような接着
剤用の挿入溝を用いた構造に限定されないことは言うま
でもない。また第3,4図中のDは第2の接点と光ファイ
バの固定部分の境界を示すものであり,実際はこの部分
を広くとり,光ファイバが急峻に変形しないよう配慮し
てある。なお,上述の光ファイバ光軸微調用傾斜面は基
板を傾斜させてケミカルエッチした後,傾斜を戻して,R
IEによるドライエッチをすれば容易に実現できる。
(効果)以上説明したように、発光素子と同一基板上に
設けた光ファイバ設置用の溝の底面に光ファイバの光軸
(入射端面の高さ)を微調整する傾斜面を設け、溝部に
勘合された光ファイバを発光素子側に押し込むと光ファ
イバの先端が傾斜面に沿って上昇しコアの位置を発光素
子やレンズ等の他の光学部品の光軸と同じ高さに微調出
来るので製造偏差により,光ファイバ設置用の溝の深さ
が設定値より深く形成されても、光学的結合効率の低下
をほぼ完全に救済できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本考案の第1の実施例、第2図は本考案の第2
の実施例、第3図は本考案の第3の実施例で(a)は平
面図、(b)はA-A′の断面図、(c)はB-B′の断面
図、第4図は本考案の第4の実施例で(a)は平面図、
(b)はA-A′の断面図、(c)はB-B′の断面図、第5
図は本考案の第1の実施例(第1図)に対応した従来例 1、21……InP基板、 22……発光素子、 2、42……発光素子端面 4、29……光ファイバ、 5、29a……光ファイバのコア、 6……光ファイバの光軸(入射端面の高さ)を微調整す
る傾斜面 8……光ファイバの入射端面 41……円筒状レンズ、 31,32……接着材挿入溝 25……球レンズ 27……集束形円筒レンズ 26……球レンズ設置用溝 28……集束形円筒レンズ設置用溝

Claims (4)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】InP基板上に形成された発光素子と,当該I
    nP基板に形成された光ファイバ設置用溝部と,当該溝部
    に勘合された光ファイバとを,少なくとも含む発光素子
    モジュールにおいて,光ファイバ設置用溝部底面の上記
    発光素子側端部に傾斜面を有することを特徴とする発光
    素子モジュール。
  2. 【請求項2】傾斜面と,溝底面とのなす角度が5度乃至
    45度であることを特徴とする実用新案登録請求の範囲第
    1項記載の発光素子モジュール。
  3. 【請求項3】溝部に勘合する光ファイバがシングルモー
    ド光ファイバであることを特徴とする実用新案登録請求
    の範囲第1項記載の発光素子モジュール。
  4. 【請求項4】溝部に勘合された光ファイバは,傾斜面上
    の第1の接点及び溝底面であって傾斜面の終端から所定
    の距離離れた第2の接点とを少なくとも有し,上記第1
    の接点と第2の接点を結ぶ直線と,溝底面となす角度が
    10度以下,好ましくは5度以下であることを特徴とする
    実用新案登録請求の範囲第1項記載の発光素子モジュー
    ル。
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